專利名稱：一種發光二極管結溫的測量方法
技術領域：
本發明涉及發光二極管，尤其是涉及一種發光二極管結溫的測量方法。
背景技術：
近年來，發光二極管(LED)技術得到了快速發展，廣泛應用于背光源、交通信號燈及通用照明等領域([l]Sameer Chhajed, Wonseok Lee, Jaehee Cho, E.Fred Schubert,and Jong Kyu Kim, Appl.Phys.Lett.98, 071102(2011) ； [2]Dong-YulLee,Sang-Heon Han, Dong-Ju Lee, Jeong Wook Lee,Dong-Joon Kim, Young Sun Kim, andSung-Tae Kim,Appl.Phys.Lett.100,041119 (2012) ； [3]Toshiharu Makino, KiyoshiYoshino, Norihiro Sakai, Kouji Uchida, Satoshi Koizumi, Hiromitsu Kato, DaisukeTakeuchi, Masahiko Ogura,Kazuhiro Oyama, Tsubasa Matsumoto, Hideyo Okushi, andSatoshi Yamasaki, Appl.Phys.Lett.99, 061110 (2011))。由于半導體器件，特別是功率半導體器件工作時，會產生大量的熱，致使發光二極管PN結處的溫度升高，PN結溫度上升會引起發光二極管光學、電學和熱學性能的變化，過高的結溫還會導致封裝材料(例如環氧樹脂)、熒光粉物理性能變壞，加速發光二極管發光衰變乃至失效。影響半導體器件溫升的因素，一方面與器件工作時產生的熱量有關，在半導體發光器件中與發光效率有關；另一方面與器件的封裝材料有關，封裝材料的導熱性越好，溫升越低。準確測量出發光二極管器件工作時PN結處的溫度，一方面可以分析器件的材料質量和封裝散熱特性，另一方面也是實際應用設計中一個重要的參數。目前，測量半導體結溫的方法有正向電壓法，峰值波長法，藍白比法，紅外攝像法，相對輻射度法和有限元計算法等。峰值波長法根據發光二極管輻射的峰值波長漂移與結溫關系來算出結溫，該法由于結溫升高引起的峰值波長漂移并不大，不可避免帶來較大的誤差([4] Y.Xi, J.Q.Xi, T.Gessmann, J.M.Shah, J.K.Kim, E.F.Schubert, A.J.Fischer, Μ.H.Crawford, K.H.A.Bogart, and A.·A.Allerman, "Junction and carrier temperaturemeasurements in deep-ultraviolet light-emitting diodes using three differentmethods, "Appl.Phys.Lett., vol.86, n0.3, pp.031907, Jan.2005.);藍白比法是利用芯片的藍光發光與熒光粉發光比例隨結溫變化的特性來獲得結溫，但該法僅適用于藍光激發黃色熒光粉的白光半導體發光器件，對于其他發光二極管，如RGB三基色混合白色發光二極管和單色發光二極管，該方法就不適用了([5]Y.M.Gu and N.Narendran, 〃A non-contactmethod for determining junction temperature of phosphor-converted whiteLEDs, 〃in Proc.3rd Int.Conf.Solid State Lighting, San Dieg0., CA, 2003, vol.5187, 107-114.)。紅外攝像法是紅外測溫儀測量半導體器件結溫分布的方法，但只能測量未封裝的裸露芯片，封裝后的芯片必須拆封后才能進行測量，而且測量儀器昂貴。相對輻射度法是根據在恒流驅動半導體器件時，相對輻射強度隨著結溫升高而線性下降的關系來測量結溫，但該法所需要的儀器更多。基于這些方法，目前已有不少相關專利出現，如中國科學院上海技術物理研究所根據峰值波長法發明的發光二極管照明燈具芯片結溫檢測方法([6]中國專利200910055335.2)，中山大學的半導體照明燈具結溫分析測試系統及其測試方法([7]中國專利200910193716.7)。目前普遍采用的是正向電壓法:首先在通正向小電流的條件下，用熱沉控制發光二極管結溫，測量不同PN結溫度對應的正向電壓，擬合出小電流下結電壓與結溫的線性關系。然后用大電流對發光二極管加熱一段時間至其達到熱穩定狀態，迅速切換至小電流，并及時測量發光二極管正向電壓，根據已獲得的正向電壓與結溫的關系，將測得的電壓轉化為溫度，從而得到結溫變化量，從而進一步獲得其它數據。這種電學測量方法由于在測量中引入了電流，會產生熱量影響測量結果。總體來說，現有的測量技術操作復雜，儀器價格昂貴，有的還帶來一定的破壞性。
發明內容
本發明的主要目的是提供對發光二極管沒有熱效應影響，測量裝置簡單、操作方便的一種發光二極管結 溫的測量方法。本發明包括以下步驟:I)結溫測量裝置搭建:結溫測量裝置包括溫控夾具、數字電源表、計算機和溫度控制源表；溫控夾具夾持待測發光二極管，數字電源表電源兩極接待測發光二極管，數字電源表與計算機電連接，計算機與溫度控制源表電連接，溫度控制源表所配套的溫度傳感器和加熱板均安裝于溫控夾具上；2)由溫度控制源表設定一組溫度值，設定的一組溫度值至少包含2個不同的溫度值，該組溫度值低于待測發光二極管芯片的失效溫度，同時由數字電源表設定電壓值，該電壓值低于待測發光二極管的啟動電壓；3)按所設定的一組溫度值和所設定的電壓值，分別測量得到不同溫度值下的發光二極管的一組正向電流值；4)通過步驟3)所測得的一組正向電流，先畫出電流對數與溫度倒數的關系圖，然后通過下述公式(I)進行直線擬合， 1/ (./) = A1 十^~(I)得到AJP λ 2系數；式(I)中，In⑴表示電流對數；T表示溫度J1為截距，表示擬合線上溫度趨于無窮時的電流對數值；λ2為斜率，表示電流對數與溫度倒數的感應系數；5)調節數字電源表的輸出電壓，使發光二極管正常發光，然后停止發光二極管發光；接著數字電源表按步驟2)所設定的電壓值輸出正向電壓，立即連續測量并記錄發光二極管的電流值，連續測量的時間直至電流值不變為止，再根據式(I)計算得到與各個電流值對應的結溫值；6)將步驟5)所得到的與各個電流值對應的結溫值，通過結溫與時間關系式(2)進行擬合，得到結溫擬合曲線圖；通過該圖即可得到不同時間點對應發光二極管工作狀態下
結溫值；T(t) = y；+Y4exp(--)
=° τ (2)式(2)中，T(t)表示隨時間t變化的結溫值；T。表示熱沉溫度；τ 半導體材料熱容熱阻的時間常數A為與τ i對應的結構部分達到穩態后對整體溫差的貢獻值；n為LED時間常數τ的個數。在步驟I)中，所述溫度傳感器為電阻溫度傳感器；所述加熱板為貝底埃加熱板。與現有技術比較，本發明的有益效果如下:計算機通過事先安排的指令溫度控制源表的輸出信號，通過溫控夾具改變發光二極管的結溫；計算機控制數字電源表給發光二極管施加加熱電流；計算機控制數字電源表對發光二極管施加偏壓，數字電源表測試電流并將結果反饋給計算機保存以便后期處理。可以測量出半導體芯片的結溫，并得到發光二極管結構時間常數譜。發光二極管工作于正向小偏壓時不發光，電流極小，避免了大電壓正向工作狀態下發光二極管測試時自帶的熱效應影響，對器件沒有熱效應的影響；發光二極管的正向小電壓下的電流的對數與結溫的倒數之間存在良好線性關系，把發光二極管從正向工作狀態瞬間切換到正向小電壓以獲得電流并轉化為結溫，利用多指數擬合獲得發光二極管降溫曲線以及常數譜，由此可得到發光二極管工作狀態下的結溫。可通過多指數擬合瞬態結溫曲線圖，獲得發光二極管封裝的主要時間常數。
圖1為本發明實施例搭建的發光二極管結溫測量裝置及使用示意圖。圖2為本發明實施例發光二極管結溫測量電流信號與時間關系圖。圖3為本發明實施例發光二極管的溫度-電流關系曲線圖。在圖3中，發光二極管正向電壓值分別設定為2.4V、2.5V、2.6V ;標記■表示2.4V、.表示2.5V、▲表示2.6V ；曲線a表示2.4V擬合線，曲線b表示2.5V擬合線，曲線c表示2.6V擬合線；橫坐標為溫度(開爾文溫度)倒數(1000/K),縱坐標為電流對數。圖4為本發明實施例發光二極管從工作狀態350mA瞬間切換到正向電壓值2.4V開始所測的結溫圖(瞬 態溫度響應曲線圖)。在圖4中，橫坐標為時間/s，縱坐標為溫度/K ；R2=0.998。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。本實施例所述測量方法，包括以下步驟:I)結溫測量裝置搭建如圖1所示，結溫測量裝置設有溫控夾具4、數字電源表2、計算機I和溫度控制源表3 ;溫控夾具4夾持待測發光二極管，數字電源表2電源兩極接待測發光二極管，數字電源表2與計算機I電連接，計算機I與溫度控制源表3電連接，溫度控制源表3所配套的溫度傳感器31和加熱板32均安裝于溫控夾具4上；所述溫度傳感器31為電阻溫度傳感器；所述加熱板32為貝底埃加熱板。2)由溫度控制源表3設定一組溫度值T (4個溫度:290K、300K、310K和320Κ)，這4個溫度值均低于發光二極管芯片的失效溫度，同時由數字電源表2設定電壓值2.4V (低于待測發光二極管的啟動電壓值);
3)按所設定的一組溫度值和所設定的電壓值，分別測量得到不同溫度值下的發光二極管的所對應的一組正向電流值Ip 12、13、I4;4)通過步驟3)所測得的一組正向電流Ip 12、13、I4，先畫出電流對數與溫度倒數的關系圖，然后通過下述公式(I)進行直線擬合，
權利要求
1.一種發光二極管結溫測量方法，其特征在于包括以下步驟: 1)結溫測量裝置搭建:結溫測量裝置包括溫控夾具、數字電源表、計算機和溫度控制源表；溫控夾具夾持待測發光二極管，數字電源表電源兩極接待測發光二極管，數字電源表與計算機電連接，計算機與溫度控制源表電連接，溫度控制源表所配套的溫度傳感器和加熱板均安裝于溫控夾具上； 2)由溫度控制源表設定一組溫度值，設定的一組溫度值至少包含2個不同的溫度值，該組溫度值低于待測發光二極管芯片的失效溫度，同時由數字電源表設定電壓值，該電壓值低于待測發光二極管的啟動電壓； 3)按所設定的一組溫度值和所設定的電壓值，分別測量得到不同溫度值下的發光二極管的一組正向電流值； 4)通過步驟3)所測得的一組正向電流，先畫出電流對數與溫度倒數的關系圖，然后通過下述公式(I)進行直線擬合，
2.如權利要求1所述的一種發光二極管結溫測量方法，其特征在于在步驟I)中，所述溫度傳感器為電阻溫度傳感器。
3.如權利要求1所述的一種發光二極管結溫測量方法，其特征在于在步驟I)中，所述加熱板為貝底埃加熱板。
全文摘要
一種發光二極管結溫的測量方法，涉及發光二極管，尤其是涉及一種發光二極管結溫的測量方法。提供對發光二極管沒有熱效應影響，測量裝置簡單、操作方便的一種發光二極管結溫的測量方法。搭建結溫測量裝置；由溫度控制源表設定一組溫度值，設定電壓值，按所設定的一組溫度值和所設定的電壓值，測量得到不同溫度值下的發光二極管的正向電流值；先畫出電流對數與溫度倒數的關系圖，然后進行直線擬合；調節數字電源表的輸出電壓，使發光二極管正常發光，然后停止發光二極管發光；計算得到與各個電流值對應的結溫值，再通過結溫與時間關系式進行擬合，得到結溫擬合曲線圖；通過該圖即可得到不同時間點對應發光二極管工作狀態下結溫值。
文檔編號G01R31/26GK103234656SQ20131018348
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月17日 優先權日2013年5月17日
發明者呂毅軍, 林思棋, 吳弼卿, 姚琦, 朱麗虹, 陳國龍, 高玉琳, 陳忠 申請人:廈門大學